[논문]구조안전성 기반의 가로등주 설계개선방안

정수형; 심재수; 최현규

doi:10.11112/jksmi.2012.16.6.045

[국내논문] 구조안전성 기반의 가로등주 설계개선방안
On the Improvement for Design Methods of Luminaire Supports Based on the Structural Safety 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.16 no.6, 2012년, pp.45 - 55

정수형 (한국시설안전공단) , 심재수 (경희대학교 토목공학과) , 최현규 (한국시설안전공단)

초록
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가로등은 도로이용자가 안전하게 통행하기 위한 도로의 필수 시설물이지만 가로등은 도로의 부속 전기장치로 취급되어 왔다. 이러한 잘못된 인식 때문에 풍하중과 이에 대한 구조거동에 대한 연구들이 부족하여 풍하중에 충분한 안전성을 확보하지 못함에 따라 태풍 시 많은 가로등이 전도 또는 파손되는 실정이다. 본 연구에서는 가로등 안전성을 기반으로 한 기존의 설계기준을 비교 검토하여 가로등주의 설치 여건에 적합한 개선된 설계기준을 제시하였으며, 이를 바탕으로 전도의 원인이 되는 점검구의 응력집중 현상을 분석하고 응력 저감 방안을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The road luminaires have been treated as subsidiary electric apparatuses in the road although they are indispensable facilities which people use the road safely. Because of this misunderstanding, there are not many researches on luminaire supports against the wind loads. Therefore, a typhoon has overturned or damaged many luminaire supports without having sufficient structural safeties. The purpose of this study is to review the current design criteria and to suggest the improvement of design methods based on the structural safety and compatible with the site conditions of luminaire supports. The stress concentration around the inspection hole, which causes the collapse of luminaire supports, is analyzed and stress reduction method is suggested with the improved design methods.

Keyword

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문제 정의

이러한 가로등의 풍해 원인은 1985년 일본조명기구공업회 표준(JIL1001)을 기초로 KS기준을 정함에 따라 실제 발생 가능한 풍하중에 충분한 안전성을 확보하지 못하는 데에 기인한 것으로 판단된다. 이를 위해 본 연구에서는 가로등 관련 KS기준의 적정성, 풍하중 적용기준, 가로등 제원 및 규격의 적정성 등 가로등 안전성을 기반으로 설계개선방안을 검토 제시하고자 한다.
본 연구에서는 KS기준의 풍하중의 문제점을 개선하기 위하여 Table 1에서 보는 바와 같이 국내외 내풍 설계기준을 비교 ⋅ 검토하였다.
특히 풍하중에 취약한 가로등은 태풍 시 파손, 전도되어 재산상의 피해뿐만 아니라 2차적인 사고를 야기하고 있으며 이제는 도로시설물로서 미국이나 EURO의 선진국과 같이 도로담당 부처의 상세한 기준에 따라 구조 안전성 측면에서 설계되어야 할 것이다. 본 연구에서는 국내외 각 설계기준의 비교 검토와 가로등주에 대한 구조해석을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

제안 방법

가로등의 내풍 설계 규정을 국내 지역별 풍속 특성이 반영된 합리적인 설계기준으로 개선하기 위하여, 지역별로 명확한 설계풍속을 제시하고 있는 「건축구조 설계기준 (KBC2005)」, 「도로교설계기준(한계상태설계법)(MTLM)」, 「가공 송전용 철탑 설계기준(KEPCO)」, 「도로표지관련규정집(MTLM)」의 기본풍속을 비교 ⋅ 검토하였다.
또한, 위 기준이 가로등주의 설계에 환경적 ⋅ 지역적으로 더 적합하다고 판단하여 본 연구에서는 「건축구조 설계기준」의 기본 풍속 기준을 적용하는 것으로 하였다.
본 연구에서는 국내 기준과 「AASHTO Standard Specs」을 비교 ⋅ 검토하였다.
그러나 2절에서 언급한 KS기준의 가로등주 풍압내력은 식 1)을 적용하여 계산결과,V_cr =60m/s최대순간풍속의 풍압력보다 작은 값으로 나타났다. KS기준의 풍압내력과 개정된 JIL 1003의 식 (1) 및본 연구의 제안식 (2)를 높이 H=10m의 가로등주에 대해 매우 다른 3가지 설치 환경을 고려하여 풍하중을 비교하였다. 여기서, 제안식의 중요도 계수 I=0.
1과 같이 점검구 보강하도록 제시하였으나 보강단면에 대한 상세는 언급하지 않았으며 점검구의 높이가 600mm로서 국내 기준 350mm보다 커서 불안전측이다. 본 연구에서는 Fig. 4의 높이 7m KS 가로등주에 대해 점검 및 설치에 필요한 최소치수인 폭 110mm, 높이 350mm 대상으로 점검구만 설치된 경우와 두께 5mm, 폭 30mm의 강판으로 리브 보강된 경우에 대해서 건축구조설계기준의 풍하중에 대해 구조해석을 수행하였다. 기본풍속 V₁₀ =40 m/s로부터 계산된 설계풍속은 V_d =45.
구조해석을 위한 해석모델은 안정기 점검구 주변에서 발생하는 복잡한 응력을 반영하기 위해서 가로등주, 아암, 보강리브를 8절점 Shell 요소로 모델링하고 선형해석을 수행하였다. Fig.
점검구만 있는 경우에 모서리 주변응력이 항복응력을 초과하므로 재료적 비선형해석을 수행하였으며 SE 및 P - δ곡선을 Fig. 8에 나타내었다.

성능/효과

분석 결과, 「AASHTO Standard Specs」는 재현빈도 50년, 노출조건 C인 지상10m에서의 3초 거스트 풍속을 적용하고 있으나, 국내에서는 보편적으로 ‘재현기간 100년, 최대 풍속 비초과 확률 60% 이상에 대응되는 지상 10m에서의 10분간 평균 풍속’을 기본풍속으로 적용하고 있는 것으로 나타났다.
검토 결과, 고도 및 노출환경에 따른 보정계수는 정성적으로 고도에 따라 증가하는 경향을 보였으나, 정량적으로는 비교적 낮은 고도에서 유사한 반면 고도가 높아질수록 각 기준에 따라 다소 큰 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 「건축구조 설계기준」과 「도로교 설계기준」이 비슷한 값을 보이는 반면 「가공 송전용 철탑 설계기준」과 「AASHTO Standard Specs」은 다소 작은 계수 값을 제시하고 있다. 높이 설치되는 해상교량 가로등주의 높이도 60m를 초과하는 경우는 드물 것이므로 60m이내에서 매우 유사한 비슷한 값을 보여주는 「건축구조 설계기준」과 「도로교 설계기준」이 합리적이라 판단되며, 가로등은 도시, 언덕, 평야지 도로, 교량 등 어디에서나 위치할 수 있어서 도심, 개활지, 교량 등에서 고도 및 노출환경에 영향을 많이 받기 때문에 가로등의 안전성과 적용성 측면에서 적합한 「건축구조 설계 기준」 Table 2, Table 3의 고도 및 노출환경 보정계수를 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
5에 나타내었다. 내륙 지방의 주택가에 대한 풍하중 비교 결과 KS기준의 원형가로등주의 풍압내력(478.7N/m²)은 제안식의 풍하중 (500.3N/m²)과 유사하지만 JIL1003의 풍하중은 위 값의 약 3배 이상을 제시하는 것으로 나타났다. 이것은 KS기준이 순간최대풍속 60m/s를 적용치 않음을 의미함과 동시에 순간최대풍속 60m/s를 적용하게 되면 너무 과대 하중으로 설계하는 것을 나타났다.
이것은 JIL1003의 식 (1)과 KS기준은 설치 지역이나 고도 등에 관계없이 극한 풍환경에 대해서 일률적으로 저항하도록 기준을 정한 것이나, KS기준의 풍압내력이 부적절하게 적은 값을 제시하는 것으로 판단된다. 따라서 JIL1003 기준을 적용하면 도심지, 주택가 등에서는 과대 설계가 되고, KS기준을 적용하면 대부분의 지역에서 불안전한 설계가 되어 풍해의 원인이 되기 때문에 본 연구에서 제안한 식 (2)를 적용하여 지역적 풍특성, 고도 및 노출환경, 단면 특성 등을 고려하는 것이 합리적이다.
7은 응력집중이 발생하는 상, 하부 모서리를 원주 둘레로 S_E값(Shell Top, Gauss Point) 을 나타낸 것이다. 두 그림에서 모서리 주변 최대 S_E응력이 586.0MPa로서 SM490 강재 항복응력 323.7MPa 을 초과하는 것으로 나타났으며, JIL1001의 최소두께 4.0mm보다 작은 두께 3.0mm, 투영 면적이 큰 KS 기본 모델, 모서리 국부 휨변형 등의 결과로 사료된다.
실제 보강리브가 없는 가로등주는 대각 모서리에서 수평방향으로 균열이 발전된 후 유효단면이 좌굴임계값에 도달하면 Photo 1과 같이 대각 모서리를 축으로 파괴되는 현상을 보여주고 있다. 반면 리브 보강된 점검구의 S_E 응력은 보강 전에 비해 약 50% 수준으로 감소하는 것으로 나타나 보강효과가 매우 크다는 사실을 알 수 있다. 가로등주의 두께를 3.
해석결과 두께 3.0 mm에서도 추가적인 하중에 저항하는 것으로 나타났으며 두께가 4.0mm인 경우에는 P - δ곡선이 선형탄성범위에서 거동하고 있다.
(1) 가로등은 도심, 평야지, 산지도로, 해상교량, 해안가, 빌딩 옥상 등 설치 위치와 환경이 다양하므로 지역별 풍속, 고도 및 환경보정계수, 거스트 계수, 풍력 계수 및 중요도 계수 등 영향인자들을 다양하게 고려할 필요가 있기 때문에 국내외 풍하중 설계 기준 분석 결과 건축구조설계기준의 골격이 적합한 것으로 판단되나 풍력계수는 테이퍼(Taper)형태의 세장한 가로등주와 아암 및 등기구의 풍력계수를 다양하게 실험적으로 제시한 일본조명기구 기준을 적용하는 것이 합리적인 것으로 나타났으며 위 두 기준을 합리적으로 적용한 풍하중 산정식을 제안하였다.
(2) 현 KS기준은 가장 낮은 수준의 풍하중을 규정하여 태풍 시 가로등이 전도, 파손될 가능성이 크고 일본 JIL1003의 규정은 획일적으로 너무 큰 풍하중을 제안하여 과대설계의 경향이 있는 반면 제안 식은 설치 환경에 따라 적절한 안전성을 가지는 풍하중을 제안하는 것으로 나타났다.
(3) 기본풍속 40m/s에 대응하는 풍하중을 작용시켜 KS규정의 등주 안정기 점검구 응력을 검토한 결과 상, 하부에서 응력집중 현상이 발생하였으며 점검구 테두리를 리브(Rib)로 보강할 경우에는 응력 집중을 1/2수준으로 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 현행 KS기준은 반복되는 가로등주의 붕괴를 방지하기 위해서는 점검구를 리브 보강하고 KS 기본형은 슬림(Slim) 형태로 개정되어야할 것이다.

후속연구

사용재료인 SS 400, STK 400은 스테인리스 스틸과 마찬가지로 용접부의 강도기준이 규명되지 않은 재료로서 부재들이 용접연결로 구성된 가로등에 사용하기에는 부적절하며 용접형 강재인 SMA 계열의 용접강재를 사용해야 할 것이다. 안전에 취약한 점검구에는 응력집중이 발생하므로 이에 대한 규격도 새로이 만들어야 하며, 아 암(Arm)이 사각단면으로 구성되어 풍력계수(1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가로등이란?	가로등은 도로 이용자가 안전하게 통행하기 위한 도로의 필수 시설물이다. 그러나 가로등은 도로의 부대시설로 취급되어 풍하중이나 이에 대한 구조거동에 대한 연구를 소홀히 해 온 것도 사실이다.
	가로등의 풍해 원인은 무엇인가?	이러한 가로등의 풍해 원인은 1985년 일본조명기구공업회 표준(JIL1001)을 기초로 KS기준을 정함에 따라 실제 발생 가능한 풍하중에 충분한 안전성을 확보하지 못하는 데에 기인한 것으로 판단된다. 이를 위해 본 연구에서는 가로등 관련 KS기준의 적정성, 풍하중 적용기준, 가로등 제원 및 규격의 적정성 등 가로등 안전성을 기반으로 설계개선방안을 검토 제시하고자 한다.
	가로등을 도로의 부속 전기장치로 취급하여 발생한 문제점은?	가로등은 도로이용자가 안전하게 통행하기 위한 도로의 필수 시설물이지만 가로등은 도로의 부속 전기장치로 취급되어 왔다. 이러한 잘못된 인식 때문에 풍하중과 이에 대한 구조거동에 대한 연구들이 부족하여 풍하중에 충분한 안전성을 확보하지 못함에 따라 태풍 시 많은 가로등이 전도 또는 파손되는 실정이다. 본 연구에서는 가로등 안전성을 기반으로 한 기존의 설계기준을 비교 검토하여 가로등주의 설치 여건에 적합한 개선된 설계기준을 제시하였으며, 이를 바탕으로 전도의 원인이 되는 점검구의 응력집중 현상을 분석하고 응력 저감 방안을 검토하였다.

참고문헌 (13)

AASHOTO, Standard Specifications for Structural Supports for Highway Signs, Luminaires and Traffic Signals, 4th Ed.,American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C., 2001.
Euro Code Structure Design Load, 2010.
Japan Luminaires Association, Basis for Calculation of Mechanical Strength of Lighting Column(JIL 1003), 2009.
Japan Luminaires Association, Tapered Lighting Column (Steel) (JIL 1001), 2009.
Japan Road Association, Specifications for Highway Bridges, 2002.
Korea Expressway Corporation, A Study of Design Wind Loads for Noise Barrier, 2002.
Korean Electric Power Corporation, Design Standard of Tower for Overhead Transmission Line, 2011.
Ministry of Construction and Transportation, "A Study for Structural Safety of Road Sign", Korea Institute of Construction Technology, 2005.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, KBC2005, 2005.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Code of Road Sign, 2006.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Design Code for Highway Bridges(Limit state design), 2012.
National Emergency Management Agency, The Establishment and Operation of Wind Resistance Design Criteria, 2004.
Oh, Dae-Joong, "Determination of Optimal Foundation- Depth of Column for Streetlamp under Wind Load", The University of Seoul, A Master's Thesis, 2010.

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